Thiết kế bộ biến đổi push pull conveter

Tài liệu hướng dẫn tính toán thiết kế chi tiết bộ biến đổi push pull conveter. Bộ Push Pull có những ưu điểm như sau:Cấu trúc đơn giản: Cấu trúc push pull là một cấu trúc rất đơn giản, cấu trúc này chỉ yêu cầu diode chỉnh lưu, tụ điện, van đóng cắt và máy biến áp. Ngoài ra không cần thiết kế để ổn định vòng lặp. Hiệu suất cao: bộ biến đổi push pull sử dụng máy biến áp để truyền tải từ thứ cấp sang sơ cấp. Một hoặc một trong số các van được bật trong toàn bộ thời gian của chu kỳ chuyển đổi, ngoại trừ thời gian deatime. Kết quả là dòng điện cực đại qua các van nguồn và cuộn dây máy biến áp chỉ cao hơn một chút so với dòng điện tải so với các loại topologies khác. Dòng điện cực đại thấp hơn dẫn đến tổn thất dẫn điện thấp hơn (tỷ lệ với bình phương dòng điện), dẫn đến hiệu suất cao hơn.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BÁO CÁO Thiết kế bộ biến đổi Push-Pull Boost công suất lớn

Chương 1: Phân loại và lựa chọn bộ biến đổi nguồn DC-DC 4

1.1 Phân loại bộ biến đổi DC-DC 4

1.1.1 Sơ đồ biến đổi DC-DC không cách ly 4

1.1.2 Sơ đồ bộ biến đổi DC-DC 4

1.2 Sơ đồ cấu tạo bộ biến đổi 2 bộ push-pull song song 7

1.2.1 Nguyên lý hoạt động bộ biến đổi push-pull 8

1.2.2 Hệ số tăng áp bộ biến đổi 11

Chương 2: Tính toán tham số mạch lực 12

2.1 Tính chọn van bán dẫn 12

2.2 Biến áp xung 16

2.2.1 Chọn lõi biến áp xung MỤC 16 2.2.2 Tính toán số vòng dây của cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp 17

2.3 Tính chọn diode chỉnh lưu 19

2.4 Khối lọc một chiều 20

2.4.1 Tính giá trị điện cảm lọc 20

2.4.2 Tính chọn tụ điện 21

2.5 Tính toán hiệu suất 21

2.5.1 Tổn hao mosfet 21

2.5.2 Tổn hao quạt tản nhiệt (option) 22

2.5.3 Tổn hao Diode 22

2.5.4 Tổn hao máy biến áp 22

Chương 3: Kết quả mô phỏng 24

TÀI LIỆU THAM KHẢO 27

Danh mục hình ảnh Hình 1 1 Cấu trúc bộ biến đổi Boost Converter 5

Hình 1 2 Cấu trúc bộ Push-Pull Converter 5

Hình 1 3 Sơ đồ bộ biến đổi Push-Pull 6

Hình 1 4 Dạng đồ thị xung, dòng điện và điện áp 7

Hình 1 5 Sơ đồ tương đương khi van Q1 ON 8

Hình 1 6 Sơ đồ tương đương khi van Q2 ON 8

Chương 1: Phân loại và lựa chọn bộ biến đổi nguồn DC-DC

1.1 Phân loại bộ biến đổi DC-DC

Về nguyên lý, sơ đồ biến đổi DC-DC có thể được phân thành 2 nhóm:

1.1.1 Sơ đồ biến đổi DC-DC không cách ly

Với nhóm sơ đồ này, điện áp một chiều được tạo ra nhờ việc phóng nạp tụ từdòng điện qua cuộn cảm L được cung cấp bởi nguồn cấp Điện áp một chiều đầu rathay đổi nhờ có việc phóng nạp được thay đổi bởi van công suất được mắc hợp lýtùy thuộc vào từng sơ đồ

Các sơ đồ nguyên lý này gồm có:

- Sơ đồ biến đổi Buck,

- Sơ đồ biến đổi Boost,

- Sơ đồ biến đổi Buck-Boost

-Sơ đồ biến đổi Boost song song

Các sơ đồ không cách ly phù hợp với công suất nhỏ Sơ đồ đơn giản và dễdàng nối song song với nhau để giảm dòng điện đi qua van Tuy nhiên dải điện ápcòn bị hạn chế

1.1.2 Sơ đồ bộ biến đổi DC-DC

a, Bộ biến đổi Boost DC-DC

Hình 1 1 Cấu trúc bộ biến đổi Boost Converter

Bộ biến đổi Boost Converter có cấu trúc đơn giản tuy nhiên với công suấtlớn dòng điện đầu vào lớn làm tăng độ lớn dòng điện đầu vào và gây tổn hại vantrong bộ chuyển đổi Đồng thời điện áp đầu ra bị hạn chế bởi hệ số điều chế

b, Bộ biến đổi Push-Pull

Hình 1 2 Cấu trúc bộ Push-Pull Converter

Trong 1 thời điểm cả hai van Q1 và Q2 không được cùng dẫn Mỗi van chỉ được dẫn trong 1 nửa chu kì Khi van này mở thì van kia phải đóng và ngược lại Thời gian mở các van phải chính xác, giữa 2 van cần phải có thời gian chết để đảm bảo cho hai van không dẫn cùng lúc Với việc đóng cắt liên tục hai van này thì luôn

luôn xuất hiện dòng điện liên tục trên tải Đồng thời mạch Push-Pull thường tạo được công suất cao hơn so với dạng khác Chính vì ưu điểm này mà nguồn Push Pull cho hiệu suất biến đổi cao và được dùng nhiều trong các bộ nguồn Điện áp đầu vào và đầu ra được cách ly với nhau,đảm bảo an toàn cho người và thiết bị bênđầu vào

Căn cứ vào nhu cầu ứng dụng thực tế, giá thành, hiệu suất ta sẽ chọn ra sơ

đồ phù hợp Với yêu cầu bài toán nâng điện áp một chiều 20-30V lên 200-250V cócách ly với công suất lớn hơn 2500W nên topology của bộ biến đổi DC-DC là 2 bộPush- Pull mắc song song đầu vào và đầu ra máy biến áp mắc nối tiếp, đồng thời trên mỗi nhánh van mắc 2 van song song tạo thành một cặp van có tác dụng giảm

độ lớn dòng điện chảy qua mỗi van

Bộ Push Pull có những ưu điểm như sau:

 Cấu trúc đơn giản: Cấu trúc push pull là một cấu trúc rất đơn giản, cấu trúc này chỉ yêu cầu diode chỉnh lưu, tụ điện, van đóng cắt và máy biến áp Ngoài ra không cần thiết kế để ổn định vòng lặp

 Hiệu suất cao: bộ biến đổi push pull sử dụng máy biến áp để truyền tải từ thứ cấp sang sơ cấp Một hoặc một trong số các van được bật trong toàn bộ thời gian của chu kỳ chuyển đổi, ngoại trừ thời gian deatime Kết quả là dòng điện cực đại qua các van nguồn và cuộn dây máy biến áp chỉ cao hơn một chút so với dòng điện tải so với các loại topologies khác Dòng điện cựcđại thấp hơn dẫn đến tổn thất dẫn điện thấp hơn (tỷ lệ với bình phương dòng điện), dẫn đến hiệu suất cao hơn

 Khả năng chống nhiễu tốt

 Lượng khí thải thấp

1.2 Sơ đồ cấu tạo bộ biến đổi 2 bộ push-pull song song

- Vi: Là dải điện áp phía đầu vào

- Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6, Q7, Q8 là van công suất được điều khiển để đóng mở

tạo ra điện áp xung đặt lên cuộn sơ cấp biến áp

- Hai Biến áp xung mắc song song đầu vào và nối tiếp dầu ra: để nâng áp với tỷ lệ

cuộn sơ cấp trên thứ cấp là N1: N2 và để cách ly điện áp giữa đầu vào và điện áp

đầu ra của hệ thống

- Cầu chỉnh lưu gồm 4 Diot cao tần D1, D2, D3, D4 để chỉnh lưu điện áp phía thứ

cấp biến áp xung

- L: Cuộn cảm lọc phía đầu ra

- C0: Tụ lọc đầu ra bộ biến đổi, điện áp sau bộ lọc sẽ là điện áp một chiều Vo.

1.2.1 Nguyên lý hoạt động bộ biến đổi push-pull

Chuyển đổi theo kiểu push – pull hay là chuyển đổi theo kiểu đẩy kéo

 Xét trên một bộ Push-Pull

 Khi cặp vam mosfet Q1, Q2 ON (Mosfet Q3, Q4 OFF) thì cuộn dây Np ởphía trên sơ cấp có điện đồng thời cảm ứng sang cuộn dây Ns phía trên ởthứ cấp có điện và điện áp sinh ra có cùng cực tính Dòng điện bên thứ cấpqua Diode cấp cho tải

 Khi chuyển đổi ở Mosfet Q3, Q4 là ON (Mosfet Q1, Q2 OFF) thì cuộn dây

Np ở phía dưới sơ cấp có điện đồng thời cảm ứng sang cuộn dây Ns phía dưới thứ cấp có điện và điện áp này sinh ra cũng cùng cực tính

 Chu kỳ cứ lặp đi lặp lại 2 trạng thái ngắt mở của mosfet Q1, Q2 và Q3, Q4tạo điện áp đầu ra liên tục ở đầu ra máy biến áp Với việc đóng cắt liên tụchai cặp van này thì luôn luôn xuất hiện dòng điện liên tục trên tải Mỗi cặpvan lần lượt dẫn trong mỗi nửa chi kỳ và không bao giờ cùng dẫn

t

OFF OFF

 Cặp van Q1, Q2 và Q3, Q4 OFF: Dòng qua các cuộn sơ cấp bằng 0: Dòng qua Lx liên tục => D1, D2 đóng

Chương 2: Tính toán tham số mạch lực

Bộ biến đổi push

Thông số mạch lực bộ biến đổi push pull

Đập mạch điện áp đầu ra được chọn: ∆ uC = 1%(Uout)

Đập mạch dòng điện trên cuộn cảm: ∆ iL = 30%(Iout)

Dòng tải đầu ra; Io =Uo P =2500250 = 10 (A)

Để đạt được điện áp xoay chiều ở sơ cấp biến áp xung có tần số 100KHz, điềunày yêu cầu tần số đóng ngắt của van công suất phía sơ cấp cần có tốc độ tươngđương Dòng điện lớn nhất được chọn là

NTP6412ANG

IPP126N10N3GXKSA1

Thông số mosfet

Ta chọn Mosfet IRFB3710PBF để tính tổn hao

Tính toán nhiệt độ mosfet:

RJC(Thermal resistance Junction – case) = 0.75 °C/W

Nhiệt độ trên thân mosfet cực đại:

 Tmosfet(max)=Ploss×RJC=13.52×0.75=8.8°CGiả sử nhiệt độ môi trường cao nhất: Tmt= 60°C

Nhiệt độ lõi mosfet max : T=Tmosfet + Tmt = 8.8+ 60 = 68.8°C < 85°C

P cos s=C oss × V¿2× f SW=410×10−12×302×100000=0.04W

¿ >P cos s=0.04 WCông suất hao tổn 1 mosfet : P HS(1 mosfet )=13.54 W

2.1.2 Mạch snubber

Trong mạch điện tử công suất khi các khóa điện tử turn-off ở dòng điện cao, một số vấn đề vẫn phát sinh

 Switching noise (ringing)  gây ra nhiễu EMI

 High voltage spike  gây ra quá điện áp đánh thủng van và tụ lọc

Để giải quyết vấn đề đó, thường ta phải sử dụng mạch snubber – mạch hỗ trợ đóng cắt

+ Thiết kế:

- Tụ ký sinh trên MOSFET Crss = 72 pF

- Tần số đóng cắt van là f = 100kHz

- Thời gian mở từng van ton = 0,4.Ts = 0,4/f

- Từ các thông số trên, tính toán được các giá trị của RC

+ Lựa chọn giá trị tụ, điện trở cho mạch snubber:

C DS=C oss−C rss, giá trị các tụ điện C oss, C rss tra trong datasheet của van bán dẫn

• R s ≤ t on

10 C s với t on=minimum duty cycle=0.4 T s, với T s là chu kì đóng cắt

• Tra datasheet của MOSFET sử dụng có

C DS=C oss−C rss=410 pF−72 pF ¿338 pF (2.4)

Do dó chọn C s ≥ 2 Cds=0.67 nF

on Rboot

- Công suất đầu ra bằng 2500/4 = 625 (W) tương ứng với 1250W một MBA

- Tần số 100KHz,

- Điện áp sơ cấp là 20V,

- Điện áp thứ cấp là 250V

Các bước thiết kế biến áp xung với những yêu cầu ở trên:

2.2.1 Chọn lõi biến áp xung

Qua tìm hiểu các lõi biến áp xung trên thị trường Viêt Nam, em nhận thấy lõi ferrit E65 thõa mãn công suất đặt ra Lõi E65 có thể thiết kế được với công suất lên tới 2000W

t max o

Trong đó :

- Wa,Ac là thiết diện lõi (cm4)

- Dcma là mật độ dòng điện (mils/amp)

- Bmax là mật độ từ thông (gauss)

- Kt là hằng số bộ push-pull

- Dòng bão hòa trên MBA:Isat=Hsat.d=124A

- Tính toán điện cảm sơ cấp: Lpri = (Vin-min * Dmax)/(Ipk * f) = (20 * 0.45) / (125*100000) =72 (uH)

- Tính toán điện cảm thứ cấp: Lpri = (Vin-min * Dmax)/(Ipk * f) = (250 * 0.45) / (10*100000) = 112 (uH)

- Hệ số điện cảm AL=7200nH nH/T2

Sử dụng 2MBA lõi E65 mắc song song đầu thứ cấp và mắc nối tiếp đầu thứ cấp với điện áp đầu vào ra 20/250V ta có công suất mỗi máy biến áp là:

max o

P

2×0.95

2.2.2 Tính toán số vòng dây của cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp

Để tính toán số vòng dây cuộn sơ cấp, ta áp dụng định luật Faraday Địnhluật Faraday phát biểu như sau:

-8 e

N.A dB

Trong đó :

- E là suất điện động sinh ra trong lõi, tính bằng Volt

- N là số vòng của cuộn dây

- Ae=5,35 là điện tích của lõi, tính bằng cm2

- dB/dt là độ biến thiên của từ thông trong một đơn vị thời gian, tính bằng

Gauss/giây

Từ đây ta có công thức tính số vòng dây của cuộn sơ cấp như sau:

p min e

ta tính được số vòng của cuộn sơ cấp Np=2 vòng

Điện áp trung bình sau cầu diode được tính theo công thức sau:

- ton là thời gian mở của từng van

Từ đó ta có công thức tính số vòng cuộn thứ cấp như sau:

162

30mmx0,3mm làm dây sơ cấp vì khi dùng lá đồng sẽ khép kín phần lõi trụ, khi đó toàn bộ dòng điện sinh ra từ thông đi qua tiết diện sẽ đi hết phần sơ cấp, nên sẽ không sinh ra từ thông tản dẫn vì nó sẽ đến tổn hao bên ngoài và làm giảm hiệu suất của mạch.

Dòng điện hiệu dụng chạy qua cuộn thứ cấp là:

Do thiết kế công suất khoảng 2500W nên dòng điện đầu ra lớn

nhất Imax = P/U = 2500/200 = 12.5(A)

Dựa vào ba thông số trên đưa ra 3 diode chỉnh lưu với các thông số như sau:

IRFB3710PBF NTP6412ANG IPP126N10N3GXKSA1

Ta chọn diode E5TH1506 để tính tổn hao

- Vo là điện áp đầu ra, tính theo Volt

- T = 1/ f là chu kỳ dòng điện chạy qua cuộn cảm, tính bằng giây

- Idc là dòng điện nhỏ nhất chạy qua cuộn cảm, tính bằng Ampe Thông thường Idcbằng 1/10 dòng điện trung bình Ion Với Vo = 250V, T = 1/100000, Idc = 1

I T

C = =346uF

V

Công suất hao tổn tất cả mosfet trên mạch là : P loss (8 mosfet)=108.32W

2.5.2 Tổn hao quạt tản nhiệt (option)

Pfan_loss= 3.7W

Fe e

ΔBP =V P=7,865.10 1250=0.1W

 Tổn hao trên MBA ΔBP MBA =2.(ΔBP +ΔBP )=86.6W cu fe

 Ploss=Tổn hao trên Mosfet + Tổn hao quạt tản nhiệt + Tổn hao trên Diode +Tổn hao Máy biến áp = 213.7W

 Hiệu suất bộ biến đổi

o loss o

Chương 3: Kết quả mô phỏng

Bộ biến đổi push

Hình 3 1 Điện áp và dòng điện đầu vào bộ Push-Pull

- Từ 0s– 0.02s: Dòng điện bị vọt lố khi khởi động

- Từ 0.02s – 0.1s: Dòng điện dao động bé dần và bắt đầu ổn định

- Từ 0.1s – 0.25s: Dòng điện bắt đầu ổn định và đạt giá trị xác lập

Hình 3.2 Điện áp và dòng điện đầu ra bộ Push-Pull tại f=100kHz

- Từ 0s– 0.03s: Điện áp bị vọt lên 300V

- Từ 0.03s – 0.15s: Dòng điện và Điện áp dao động bé dần

- Từ 0.15s – 0.25s: Điện áp ổn định và xác lập tại 255V, độ đập mạch <1%

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Transformer and Inductor Design Handbook, Third Edition (Electrical & Computer Engineering) 3rd Edition by Colonel Wm T McLyman

[2] Ferrites and accessories E 55/28/21 Core – TDK Electronics

[3] Isolated switched-boost push–pull DC–DC converter for step-up applications